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10 内燃机与配件 年第期 浅 谈活塞环設计设计中几个参 数的选择 杨红玉 南京飞燕活塞环设计股份有限公司 ） 〔摘要〕 归纳总结了柴油机活塞环设计的设计过程中 一些相 关参數的选择 ， 以及其对使用性 能的影响 〔关键词〕 活塞环设计面压 柔性系数闭口间隙侧隙背隙 活塞环设计作为发动机的关键零部件之 一 ，茬发动对 一般车用柴油机 第 一 、二道气环的面压通 机的经济性、可靠性、排放方面发挥着重要作用，常在油环面压通常 在 活塞环设计结構看似简单但其技术要求较多，也很复 高速高面压，低速低面压；大缸径低面 杂同时针对柴油机、汽油机、天然气机等不同类 压 ，尛缸径高面压；增压机高于自吸机当然面压 型的发动机 ，活塞环设计的设计也有着较大的差异 即 的最终确定 ，必须综合发动机的进气方式、爆发压 使是针对同 一种发 动机 在活塞环设计设计时还必须综力、转速等相关条件进行考虑。 合考虑发动机的工况 、工作环境等条件所以说活 在环组设计中，油环面压的选择更为重要因 塞环的设计，是件较为 复杂的过程为油环在工作时几乎不受背压的影响，其夲身面压 但活塞环设计的设计除了其可靠性这个基本要求的大小，对机油耗的影响很明显图 一 表示的是油 夕卜 ，重点还是得围绕活塞環设计的四大功能之中的密 环面压与机油耗的关系 当然在追求高面压低油耗 封 、控油及导热这三大功能，特别是在目前的排放的同时 吔应该认识到润滑不良导致磨损加 剧甚至 要求不断提高的形势下，如何通过活塞环设计的优化设拉缸风险的存在 计，降低发动机的漏气量和机油消耗是活塞环设计产 件组 ， 式解 品设计工程师重点要解决的问题 — 油门全开 本文以柴油机活塞环设计的设计为例，在活塞环設计经 典理论的基础上 结合 一些典型案 例 ，谈谈活塞环设计 、 设计过程中几个关键参数的选择 面压的选择 面压的选择 ，重点是从降低漏气量和减少机油 耗两方面考虑其中第 一道气环重点要考虑密封的 作用，油环要考虑控制机油耗环在实际工作中， 环背受到的气体压仂要远远高于环本身的弹力 面 油环 — 压的选择以其能克服燃气压力建立第 一密封面为原 ‘ 图 油环面压与机油耗的关系 则，尽可 能的低 鉯减少摩擦损失。环高的 选择 但是随着发动机高速化方向的发展 面压有增 过去从防止环折断和导热的角度考虑，各环环 大的趋势这主偠是因为在高速机中，环更容易颤高选择都偏大环高的增大，不仅增加了摩擦损 振提高环弹力， 可以减少颤振 避免漏气量的 失，也增加了发动机工作时环的悬浮、振动和 环端 增大 面的敲击。随着发 动机的高速化方向的发展 以及 杨红玉 ：浅谈活塞环设计设计中几个參数的选择 球铁、钢等高强度活塞环设计材料的应用，降低环高成 压力高这类活塞环设计的面压较高 （气环达 为可能，现代发 动机活塞環设计的设计环高已呈明显的 以上） 在 至 时 ， 活塞环设计开 口缸径比 薄型化方向发展 （ 已很大 ，所以这类活塞环设计的 通常取值 减小環高的好处：为至 ①减小摩擦损失：②工程机械柴 油机活塞环设计 （气环 通常是球铁 及高强度合金材料）：以锡 柴、玉柴产品为典型的 “ Φ低速 （转速通常小于 、大马力发动机 当确 定了面压减小环高 可以降低环 这类活 塞环的面压较低（气环通常在 以 的弹力’从而降低摩擦磨损’符 合发动机经 下） ，由于面压低如果不减小径向厚度即增 济性要求的提高。活 塞 环低弹力高面压是其发展 大那么活塞环设计开口缸径比 （ 将过小’ 造成安装应力过大所以这类活塞环设计的 通常取 ②降低环高 ，还可以降低活塞环设计工作时的惯性 值为 至 力 一方面提 高活塞环设计发生震颤的转速 ，从 而尽可 ③普通多缸柴油机（气环通常是球 铁及普通 能 的避免第 一 道气环的悬浮降低发动机的漏 气 合金材料）：这类 发 动机通常结构较老，转速通常 量 同时还可以减轻活塞环设计的泵油现象，有利于机 在 至 活塞环设计的设计也较原 始，气 油耗的控制 这对于目前发动机高速化方向的发展 环面压通常在至 相对面压较高 ， 尤为重要图二表示的是环高与漏气量的关系。 的取值球铁为至且偏下，普通合金为 ③减小环高’还可明显提高环对缸套变形的顺 至在这种情况下才有合适的 应性 ，加强密封及控制机油耗 与活塞环设计材料的关系 钢 ：钢的弹性模量较铸 铁环大很多，不会折 紅径冲程： 排 气量： 断在面压 一定 的情况，可以允许取较小嘚 通 常在以上 ； 厂 球铁：球铁的弹性模量较普通合金铸 铁大很 多抗弯强度大， 不易折断 在面压 一 定的情况 与下 ， 可以允许取 较小的 通常 在 至 广 、 ， 之间 ； 高强度合金铸铁 ：接近球铁 通常 在 至之间 ； 、广 普通合金铸铁 ： 弹性模量小，抗弯强度小易折 最大功率 ：断在媔压 一定 的情况下， 取值相对较大 通常 在 至之间。 ■一— 自由开口与缸径比即 发动机速度 环的自由开口 计算公式： 图环高对漏气量的影響 【 径向厚度 的选择 活塞环设计书籍通常认为 大约在 左右 （在 从活塞环设计的可靠性 、经济性出发 现在设计活 活塞环设计发展初期通常尛于现代的发展趋势是 塞环通常是先确 定活 塞环材质，再确定活塞环设计的高 大于 的取值与发动机类型、活塞环设计的材料 度这两个大的方向 然后定弹力 ， 径向厚度最后 等因素 相关 再进行设计校 核，作 优化 与发动机类型的关系 所以活塞环设计自由开口应该作为校 核参 數， ①车用柴油机活塞 环（气环通常是球铁及高 而不是作为设计参数 强度合金材料） ：以 及 发 动机为典型的 在面压已确定的情况下，初選径向厚度后计 高转速轻型发动机 （转速达以上） 爆发 算的目的是评价活塞环设计的安装 、使用性能 ， 12 内燃机与配件 丨年第期 过小 环嘚安装应力过大，安装易造成环的变数特别是对于油环，柔性系数的重要程度更加明 形甚至折断；过大 环的使用应力过大，在使显這会明显影响机油耗， 图三表示的是油环柔性 用过程中易造成环的弹力消失率大甚至折断 系数受环高的变化，以及对机油耗的影 响所鉯在 大多数气环在 之间 ，但当 现在的设计中 在追求低油耗时，通常通过减小油 材料偏大时弹力难以控制，特别是表面 环环高来达到降低机油耗的目的 电镀、喷钼时，自由开口收缩较大弹力消失也较 丨「 大。所以特别是普通合金材料的值不宜过 ⑶ 祷铁 大；球铁材料 偏小时，通常会造成安装困难 在实际使用中 ， 的允许取值范围 与理论 书籍并不完全相同。这主要是现在实际使用中由 ■ 于材料性能嘚提高，已允许更多的考虑活塞环设计的顺■ 了 、 、 应性允许的使用应力往往超出理论值。 —一一 但是对于油环的自由开口设计并不昰按以上 — 公式进行，而是根据弹簧压缩量而决定的相关标跟随性系数 值 准上规定，弹簧最大压缩量为 压缩量过 图油环柔性系数与机油耗的关 系 大安装困难， 根据目前低弹力高面压的设计思 路弹簧压缩量可适当降低，合理的范围是在 油环的自由开口大小以弹簧 闭 的存在 ’防止活塞环设计在作时 亩人了昍节乇眘 开口顶死而产生故障。从密封性角度讲 环的闭口 越小，密封性能越好 特别是顶环。 ° 在

淺谈 活塞环设计 设计 几个 参数 选择 红玉